Συνήθως χρησιμοποιούμενα υλικά στη δομική μηχανική

Η δομική δομή εξαρτάται από τη γνώση των δομικών υλικών και των αντίστοιχων ιδιοτήτων τους για να προβλέψουμε καλύτερα τη συμπεριφορά διαφορετικών υλικών όταν εφαρμόζονται στη δομή. Γενικά, το δέντρο (3) Τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα υλικά στη δομική μηχανική είναι ο χάλυβας, σκυρόδεμα και ξύλο / ξυλεία. Η γνώση των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων κάθε υλικού είναι σημαντική για τη διασφάλιση μιας ασφαλούς και οικονομικά αποδοτικής προσέγγισης στο σχεδιασμό δομών. Ας ρίξουμε λοιπόν μια ματιά στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του χάλυβα έναντι της ξυλείας έναντι του σκυροδέματος!

Δομικού χάλυβα

Ο χάλυβας είναι ένα κράμα που αποτελείται κυρίως από σίδηρο και άνθρακα. Άλλα στοιχεία αναμιγνύονται επίσης στο κράμα για να αποκτήσουν άλλες ιδιότητες. Ένα παράδειγμα είναι η προσθήκη χρωμίου και νικελίου για τη δημιουργία ανοξείδωτου χάλυβα. Η αύξηση του άνθρακα σε χάλυβα έχει το επιδιωκόμενο αποτέλεσμα της αύξησης της αντοχής εφελκυσμού του υλικού. Η αύξηση της περιεκτικότητας σε άνθρακα καθιστά τον ατσάλι πιο εύθραυστο, που είναι ανεπιθύμητο για δομικό χάλυβα.

Πλεονεκτήματα του δομικού χάλυβα

  1. Ο χάλυβας έχει υψηλή αναλογία αντοχής / βάρους. Ετσι, το νεκρό βάρος του μεταλλικές κατασκευές είναι σχετικά μικρό. Αυτή η ιδιότητα καθιστά το χάλυβα ένα πολύ ελκυστικό δομικό υλικό για πολυώροφα κτίρια, γέφυρες μεγάλου μήκους, κατασκευές που βρίσκονται στο έδαφος με χαμηλό έδαφος και σε περιοχές με υψηλή σεισμική δραστηριότητα.
  2. Εύπλαστο. Ο χάλυβας μπορεί να υποστεί μεγάλη πλαστική παραμόρφωση πριν από την αποτυχία, παρέχοντας έτσι μεγάλη ισχύ αποθεματικού.
  3. Προβλέψιμες ιδιότητες υλικού. Οι ιδιότητες του χάλυβα μπορούν να προβλεφθούν με υψηλό βαθμό βεβαιότητας. Ο χάλυβας δείχνει στην πραγματικότητα ελαστική συμπεριφορά έως ένα σχετικά υψηλό και συνήθως καλά καθορισμένο επίπεδο πίεσης. Σε αντίθεση με το οπλισμένο σκυρόδεμα, οι ιδιότητες του χάλυβα δεν αλλάζουν σημαντικά με το χρόνο.
  4. Ταχύτητα στύσης. Τα μεταλλικά μέλη είναι απλά εγκατεστημένα στη δομή, κάνοντας για πολύ σύντομο χρόνο κατασκευής. Αυτό συνήθως οδηγεί σε ταχύτερη οικονομική απόδοση σε τομείς όπως το κόστος εργασίας.
  5. Ευκολία επισκευής. Οι μεταλλικές κατασκευές γενικά μπορούν να επισκευαστούν γρήγορα και εύκολα.
  6. Προσαρμογή προκατασκευής. Ο χάλυβας είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για προκατασκευή και μαζική παραγωγή.
  7. Επαναλαμβανόμενη χρήση. Ο χάλυβας μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί μετά την αποσυναρμολόγηση μιας δομής.
  8. Επέκταση υφιστάμενων δομών. Τα χαλύβδινα κτίρια μπορούν εύκολα να επεκταθούν προσθέτοντας νέους κόλπους ή φτερά. Οι χαλύβδινες γέφυρες μπορεί να διευρυνθούν.
  9. Δύναμη κόπωσης. Οι μεταλλικές κατασκευές έχουν σχετικά καλή αντοχή στην κόπωση.

Μειονεκτήματα του δομικού χάλυβα

  1. Γενικό κόστος. Ο χάλυβας είναι πολύ υψηλής έντασης ενέργειας και φυσικά πιο ακριβός στην παραγωγή. Οι χαλύβδινες κατασκευές μπορεί να είναι πιο δαπανηρές για την κατασκευή από άλλους τύπους κατασκευών.
  2. Πυρίμαχα. Η αντοχή του χάλυβα μειώνεται σημαντικά όταν θερμαίνεται σε θερμοκρασίες που παρατηρούνται συνήθως στις πυρκαγιές των κτιρίων. Ο χάλυβας επίσης μεταφέρει και μεταδίδει θερμότητα από ένα καίγοντας τμήμα του κτιρίου αρκετά γρήγορα. συνεπώς, χαλύβδινα κουφώματα σε κτίρια πρέπει να διαθέτουν επαρκή πυρόσβεση.
  3. Συντήρηση. Ο χάλυβας που εκτίθεται στο περιβάλλον μπορεί να προκαλέσει ζημιά στο υλικό και ακόμη και να μολύνει τη δομή λόγω διάβρωσης. Μεταλλικές κατασκευές που εκτίθενται στον αέρα και το νερό, όπως γέφυρες και πύργοι, χρωματίζονται τακτικά. Η εφαρμογή στεγανών και ανθεκτικών στη διάβρωση χάλυβα μπορεί να εξαλείψει αυτό το πρόβλημα.
  4. Ευαισθησία στο λυγισμό. Λόγω της υψηλής αναλογίας ισχύος / βάρους, τα μέλη χάλυβα συμπίεσης είναι, γενικά, πιο λεπτό και κατά συνέπεια πιο ευαίσθητο σε λυγισμό από, λένε, μέλη συμπίεσης οπλισμένου σκυροδέματος. Σαν άποτέλεσμα, Απαιτούνται περισσότερες μελέτες σχεδιασμού για να βελτιωθεί η αντίσταση λυγισμού των λεπτών μελών συμπίεσης χάλυβα.

ξυλεία εναντίον σκυροδέματος

Φιγούρα 1. Επισκόπηση δομικών κατασκευών

Οπλισμένο σκυρόδεμα

Το σκυρόδεμα είναι ένα μείγμα νερού, τσιμέντο και αδρανή. Η αναλογία των τριών βασικών συστατικών είναι σημαντική ώστε να δημιουργηθεί ένα συγκεκριμένο μείγμα επιθυμητής αντοχής σε θλίψη. Κατά την ενίσχυση των χαλύβδινων ράβδων προστίθενται στο σκυρόδεμα, τα δύο υλικά συνεργάζονται με σκυρόδεμα παρέχοντας αντοχή σε θλίψη και χάλυβα που παρέχει αντοχή σε εφελκυσμό.

Πλεονεκτήματα του οπλισμένου σκυροδέματος

  1. Συμπιεσμένη δύναμη. Το οπλισμένο σκυρόδεμα έχει υψηλή αντοχή σε θλίψη σε σύγκριση με άλλα οικοδομικά υλικά.
  2. Αντοχή εφελκυσμού. Λόγω της παρεχόμενης ενίσχυσης, το οπλισμένο σκυρόδεμα μπορεί επίσης να αντέξει σε καλή τάση εφελκυσμού.
  3. Αντοχή στη φωτιά. Το σκυρόδεμα έχει καλή ικανότητα προστασίας προστατευτικών χαλύβδινων ράβδων από φωτιά για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτό αγοράζει χρόνο για τις ράβδους ενίσχυσης έως ότου σβήσει η φωτιά.
  4. Τοπικά υλικά. Τα περισσότερα υλικά που απαιτούνται για την παραγωγή σκυροδέματος προέρχονται εύκολα τοπικά, που καθιστά το σκυρόδεμα μια δημοφιλή και οικονομικά αποδοτική επιλογή.
  5. Αντοχή. Το δομικό σύστημα από οπλισμένο σκυρόδεμα είναι πιο ανθεκτικό από οποιοδήποτε άλλο οικοδομικό σύστημα.
  6. Μορφοποίηση. Οπλισμένο σκυρόδεμα, ως ρευστό υλικό στην αρχή, μπορεί να μορφοποιηθεί οικονομικά σε μια σχεδόν απεριόριστη ποικιλία σχημάτων.
  7. Χαμηλή συντήρηση. Το οπλισμένο σκυρόδεμα έχει σχεδιαστεί για να είναι ανθεκτικό, χρησιμοποιώντας υλικά χαμηλής αξίας όπως άμμο και νερό που δεν απαιτούν εκτεταμένη συντήρηση. Το σκυρόδεμα προορίζεται να περικλείει την ράβδο εντελώς έτσι ώστε η ράβδος να μην διαταράσσεται. Αυτό καθιστά το κόστος συντήρησης για κατασκευές από οπλισμένο σκυρόδεμα πολύ χαμηλό.
  8. Σε δομή σαν βάσεις, φράγματα, προβλήτες κ.λπ.. το οπλισμένο σκυρόδεμα είναι το πιο οικονομικό δομικό υλικό.
  9. Ακαμψία. Λειτουργεί σαν ένα άκαμπτο μέλος με ελάχιστη εκτροπή. Μια ελάχιστη εκτροπή είναι καλή για τη συντήρηση των κτιρίων.
  10. Φιλικότητα προς τον χρήστη. Σε σύγκριση με τη χρήση του χάλυβα στη δομή, λιγότερο εξειδικευμένη εργασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην κατασκευή δομών οπλισμένου σκυροδέματος.

Μειονεκτήματα οπλισμένου σκυροδέματος

  1. Μακροχρόνια αποθήκευση. Το σκυρόδεμα δεν μπορεί να αποθηκευτεί μόλις αναμιχθεί καθώς το τσιμέντο αντιδρά με νερό και το μείγμα σκληραίνει. Τα κύρια συστατικά του πρέπει να αποθηκεύονται ξεχωριστά.
  2. Θεραπεία του χρόνου. Το σκυρόδεμα έχει περίοδο ωρίμανσης τριάντα ημερών. Αυτός ο παράγοντας επηρεάζει σημαντικά το χρονοδιάγραμμα κατασκευής του κτηρίου. Αυτό καθιστά την ταχύτητα ανέγερσης του χυτού σκυροδέματος στη θέση πιο αργή από το χάλυβα, ωστόσο, Αυτό μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά με τη χρήση προκατασκευασμένου σκυροδέματος.
  3. Κόστος εντύπων. Το κόστος των εντύπων που χρησιμοποιούνται για το casting RC είναι σχετικά υψηλότερο.
  4. Μεγαλύτερη διατομή. Για ένα πολυώροφο κτίριο το τμήμα στήλης από οπλισμένο σκυρόδεμα (RCC) είναι μεγαλύτερο από το χαλύβδινο τμήμα καθώς η αντοχή σε θλίψη είναι χαμηλότερη στην περίπτωση του RCC.
  5. Συρρίκνωση. Η συρρίκνωση προκαλεί ανάπτυξη ρωγμών και απώλεια αντοχής.

σύγκριση μεταξύ χάλυβα ξυλείας και σκυροδέματος

Φιγούρα 2. Ένα τυπικό παράδειγμα ενός οπλισμένου σκυροδέματος

Ξυλεία

Το ξύλο είναι ένα βιολογικό, υγροσκοπικό και ανισότροπο υλικό. Είναι θερμική, ακουστικός, ηλεκτρικός, μηχανικός, αισθητικός, εργαζόμενος, και τα λοιπά. ιδιότητες είναι πολύ κατάλληλες για χρήση είναι δυνατόν να χτίσετε ένα άνετο σπίτι χρησιμοποιώντας μόνο ξύλινα προϊόντα. Με άλλα υλικά, είναι σχεδόν αδύνατο. Το ξύλο είναι προφανώς συνηθισμένη και ιστορική επιλογή ως δομικό μηχανικό υλικό. Ωστόσο, τις τελευταίες δεκαετίες, Υπήρξε μια απομάκρυνση από το ξύλο υπέρ μηχανικών προϊόντων ή μετάλλων όπως το αλουμίνιο.

Πλεονεκτήματα της ξυλείας

  1. Αντοχή εφελκυσμού. Για να είναι σχετικά ελαφρύ δομικό υλικό, το ξύλο ξεπερνά ακόμη και το χάλυβα όταν πρόκειται για το σπάσιμο του μήκους (ή μήκος αυτο-υποστήριξης). Με απλά λόγια, μπορεί να υποστηρίξει καλύτερα το δικό του βάρος, που επιτρέπει μεγαλύτερους χώρους και λιγότερες απαραίτητες υποστηρίξεις σε ορισμένα σχέδια κτιρίων.
  2. Ηλεκτρική αντίσταση και θερμότητα. Έχει φυσική αντίσταση στην ηλεκτρική αγωγή όταν στεγνώνει σε τυπική περιεκτικότητα σε υγρασία (MC) επίπεδα, συνήθως μεταξύ 7%-12% για τα περισσότερα είδη ξύλου. Η αντοχή και οι διαστάσεις του δεν επηρεάζονται επίσης σημαντικά από τη θερμότητα, παρέχοντας σταθερότητα στο τελικό κτίριο, ακόμη και επιπτώσεις στην ασφάλεια για ορισμένες καταστάσεις πυρκαγιάς.
  3. Ηχοαπορρόφηση. Οι ακουστικές του ιδιότητες το καθιστούν ιδανικό για ελαχιστοποίηση της ηχούς σε χώρους καθιστικού ή γραφείου. Το ξύλο απορροφά ήχο, αντί να το αντικατοπτρίζει ή να το ενισχύει, και μπορεί να συμβάλει σημαντικά στη μείωση των επιπέδων θορύβου για επιπλέον άνεση.
  4. Τοπικές πηγές. Το ξύλο είναι ένα οικοδομικό υλικό που μπορεί να αναπτυχθεί και να αναπτυχθεί ξανά μέσω φυσικών διεργασιών και επίσης μέσω προγραμμάτων αναφύτευσης και διαχείρισης δασών. Επιλογή συγκομιδής και άλλες πρακτικές επιτρέπουν τη συνέχιση της ανάπτυξης ενώ συγκομίζονται μεγαλύτερα δέντρα.
  5. Φιλικό προς το περιβάλλον. Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις πολλών οικοδομικών υλικών, συμπεριλαμβανομένου του σκυροδέματος, μέταλλο, και πλαστικά, είναι ότι όταν απορρίπτονται, χρειάζονται πολύ χρόνο για να αποσυντεθούν. Όταν εκτίθεται σε φυσικές κλιματικές συνθήκες, το ξύλο θα σπάσει πολύ πιο γρήγορα και πραγματικά θα αναπληρώσει το έδαφος κατά τη διαδικασία.

Μειονεκτήματα της ξυλείας

Η συρρίκνωση και η διόγκωση του ξύλου είναι ένα από τα κύρια μειονεκτήματά της.

Το ξύλο είναι ένα υγροσκοπικό υλικό. Αυτό σημαίνει ότι απορροφά τους γύρω συμπυκνώσιμους ατμούς και χάνει την υγρασία στον αέρα κάτω από το σημείο κορεσμού των ινών. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι η υποβάθμισή του. Οι παράγοντες που προκαλούν την υποβάθμιση και την καταστροφή του ξύλου εμπίπτουν σε δύο κατηγορίες: Βιοτικός (βιολογικός) και αβιοτικός (μη βιολογικό). Οι βιοτικοί παράγοντες περιλαμβάνουν μύκητες αποσύνθεσης και μούχλας, βακτήρια και έντομα. Οι αβιοτικοί παράγοντες περιλαμβάνουν τον ήλιο, άνεμος, νερό, ορισμένα χημικά και φωτιά.

Μαζική ξυλεία εναντίον χάλυβα

Φιγούρα 3. Ξύλο / ξύλινο δομικό πλαίσιο

Περίληψη

Για καλύτερη περιγραφή του χάλυβα, σκυρόδεμα και ξύλο. Ας συνοψίσουμε τα κύρια χαρακτηριστικά τους που θα τονίζουν κάθε υλικό.

Ατσάλι είναι πολύ ισχυρή τόσο σε ένταση όσο και σε συμπίεση και επομένως έχει υψηλή αντοχή σε θλίψη και εφελκυσμό. Ο χάλυβας έχει απόλυτη αντοχή περίπου 400 προς το 500 MPa (58 - 72.5 ksi). Είναι επίσης ένα όλκιμο υλικό που αποδίδει ή παραμορφώνεται πριν από την αποτυχία. Ο χάλυβας ξεχωρίζει για την ταχύτητα και την αποδοτικότητά του στην κατασκευή. Το σχετικό μικρό βάρος και η ευκολία κατασκευής του επιτρέπει ένα εργατικό δυναμικό περίπου 10 προς το 20% μικρότερο σε σύγκριση με μια παρόμοια δομή με βάση το σκυρόδεμα που κατασκευάζεται. Οι μεταλλικές κατασκευές έχουν επίσης εξαιρετική αντοχή.

Σκυρόδεμα είναι εξαιρετικά ισχυρή σε συμπίεση και επομένως έχει υψηλή αντοχή σε θλίψη από περίπου 17MPa έως 28MPa. Με υψηλότερες αντοχές έως και πάνω 70 MPa. Το σκυρόδεμα καθιστά δυνατή τη σχεδίαση πολύ ανθεκτικών και ανθεκτικών κτιρίων, και εκμεταλλευόμενος τη θερμική μάζα διατηρώντας το μέσα στο περίβλημα του κτιρίου μπορεί να βοηθήσει στη ρύθμιση των εσωτερικών θερμοκρασιών. Υπάρχει επίσης μια αυξανόμενη χρήση προκατασκευασμένου σκυροδέματος στην οικοδομική βιομηχανία, που προσφέρει πλεονεκτήματα όσον αφορά τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, κόστος και ταχύτητα κατασκευής.

Ξύλο είναι ανθεκτικό σε ηλεκτρικά ρεύματα, καθιστώντας το ιδανικό υλικό για ηλεκτρική μόνωση. Η αντοχή εφελκυσμού είναι επίσης ένας από τους κύριους λόγους για την επιλογή της ξυλείας ως δομικού υλικού; Οι εξαιρετικά ισχυρές του ιδιότητες το καθιστούν την τέλεια επιλογή για βαρέως τύπου δομικά υλικά όπως δομικά δοκάρια. Το ξύλο είναι πολύ ελαφρύτερο κατ 'όγκο από το σκυρόδεμα και το χάλυβα, είναι εύκολο να εργαστείτε και πολύ προσαρμόσιμο στο χώρο του ξενοδοχείου. Είναι ανθεκτικό, έχει ως αποτέλεσμα λιγότερη θερμική γεφύρωση από τα αντίστοιχα και ενσωματώνει εύκολα προκατασκευασμένα στοιχεία. Η δομική του απόδοση είναι πολύ υψηλή και η αντοχή σε θλίψη είναι παρόμοια με αυτή του σκυροδέματος. Παρ 'όλα αυτά, Η ξυλεία χρησιμοποιείται ευρύτερα για οικιστικά και χαμηλά κτίρια. Χρησιμοποιείται σπάνια ως το κύριο υλικό για πολυόροφα κτίρια.

Αυτά είναι τα πιο συνηθισμένα δομικά υλικά που χρησιμοποιούνται για την οικοδόμηση. Κάθε υλικό έχει το δικό του μοναδικό σύνολο πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων. Τελικά αυτά μπορεί να αντικατασταθούν από υλικά που έχουν ελάχιστους ή καθόλου περιορισμούς με τις τεχνολογικές εξελίξεις στο μέλλον. Ανεξάρτητα, τα τρέχοντα οικοδομικά υλικά μας θα παραμείνουν σχετικά για πολλές δεκαετίες που θα έρθουν.